用InSAR數據得到的鮮水河斷裂西北段地震間滑動速率＊

Wang H，Wright T J，Biggs J

學術論文

用InSAR數據得到的鮮水河斷裂西北段地震間滑動速率＊

Wang H，Wright T J，Biggs J

鮮水河斷裂是青藏高原東部邊緣附近的高活動性走滑斷層系統。我們使用多干涉圖方法由ERS-1／2和歐洲環境衛星所獲得的十年SAR數據來構建由于鮮水河西北段地震間應變積累而產生的視距形變速率圖。該速率圖顯示了與斷層有關的清晰的形變梯度，但是從地表斷層跡線看稍向東偏移。通過使用蒙特-卡洛方法對InSAR速率圖和GPS數據的共同反演，當鎖定深度為3～6km時，以90%置信水平估算出滑動速率為9～12mm／a。此滑動速率與全新世斷層滑動速率及歷史地震相吻合。我們的結果也揭示不存在顯著的跨斷層拉伸。將來，上升和下降軌道得出的InSAR數據可能會進一步約束此斷層的3D斷層滑動速率。

引言

位于西藏東部、約350km長、左旋滑動的鮮水河斷層是印度-亞洲碰撞帶上的主要大陸內斷層系統（圖1），自公元1700年以來，在該斷層上發生過的M＞6.5地震超過20次。理解它現在的滑動速率將會更好地約束地球動力學模型，并有助于評估其潛在的地震危險性。

Allen等（1991）使用野外地質資料估算出全新世左旋滑動速率從西北（NW）端的15 ±5mm／a減少到東南（SE）的5mm／a。徐等（2003）重新估算了一些位點，提出西北和東南的滑動速率分別為14±2m／a和9.6± 1.7mm／a。Wang等（1998）估算出在2～4 Ma內位移約60km，顯示平均長期滑動速率為15～30mm／a。近期GPS數據顯示沿整個斷層長度的滑動速率為～10mm／a。

在一些研究中，干涉合成孔徑雷達（In-SAR）已被用來測量青藏高原西部或北部地震間形變。然而，在東部邊緣濃密的植被覆蓋造成了抗相關問題，使常規的InSAR疊加方法面臨挑戰。Biggs等（2007）提出了一種多干涉圖方法，用于InSAR地震間形變分析。此方法的主要優點是：①通過使用一種對逐個初相進行網絡調節的方法，可以更有效地校正軌道誤差；②使用逐個像素疊加策略，相干點數量會大大增加。Elliott等（2008）還通過校正與地形相關的大氣延遲誤差的干涉圖改進了這一方法。在本研究中，我們使用這一方法來確定鮮水河斷層西北部的地震間滑動。

1 InSAR數據分析

我們使用從ERS-1／2和歐洲環境衛星得出的23幅雷達圖像，它們是在1996至2008年間從下降軌跡376上獲得的（圖1）。使用JPL／Caltech ROI＿PAC軟件得出干涉圖（Rosen等，2004）。使用往返雷達地形學任務3-弧秒DEM（Farr和Kobrick，2000）來去掉地形學相位。干涉圖相干性是高度易變的，并有點不可預測?？傮w來說，但不是一直如此，我們發現垂直基線小于100m的干涉圖，以及那些據同一季節中獲得的圖像形成的干涉圖是相干性最高的。依照Jónsson（2008），通過多視處理進一步提高了相干性，掃視區間通常達到16個，但是偶爾達到32或64個。一些干涉圖不得不通過設置孤立相干斑點間的連接來手工展開。我們檢驗這些連接，并使用相位封閉技術更正相位展開誤差。成功地展開總共33幅干涉圖（18幅來自ERS，15幅來自歐洲環境衛星）；其中19幅給出最佳相干性的圖被選出（輔助材料①輔助材料可從網頁HTML上獲得，doi：10.1029／2008GL036560。的圖S1），并用于360m間距的二次抽樣。干涉圖覆蓋了～25年的累積時間區間。

圖1 鮮水河西北地區地形和構造圖（插圖為青藏高原）。粗黑線為鮮水河斷裂，細線為其他活動的或不活動的斷層。黑色矩形為雷達數據范圍。矩形上面的兩個箭頭分別代表雷達視線（LOS）和方位角（AZ）。彩色箭頭是相對華南板塊的GPS速度（Shen等，2005），綠色箭頭會在圖2中使用。小空心方塊代表1700年以來的歷史地震（M＞6.5）。請在《國際地震動態》網站或中國知網上查詢該圖的彩色版，圖2、圖3同

多干涉圖方法使用了一種四步交互算法：軌道誤差的更正，大氣延遲誤差的更正，滑動速率圖的構建，以及斷層滑動速率的估計。此研究中最適軌道誤差的斜率均值為0且標準差為0.31（東）和0.11（北）mm／km，證實它是具有這些參數的粗略正態分布。使用指數衰減構成協方差函數，據此函數對大氣噪音建模，產生的平均電子折疊波長為10km，方差為20mm2。波長非常符合大氣噪音此前的估計值，但方差小于阿拉斯加的方差，這是平均高程～4km情況下的期望值。使用進一步網格校正來評估和消除地形學相關的大氣延遲誤差，作為一階近似，假設延遲隨高度線性變化。系數的估計值產生的平均值為0，標準差為6mm／km，比從Altyn Tagh斷層獲得的值小。使用帶有全時間協方差矩陣的迭代最小二乘算法來估計每個像素的速度，由此作滑動速率圖。在此算法中，帶有最大殘差的數據點被迭代除去，直到最大殘差小于估計大氣噪音的n（例如3）倍。特別是，此算法有效地除去了由于相位展開誤差造成的異常值，這樣就得到更平滑的滑動速率圖。在低分辨率條件下（～3.6km）使用此滑動速率圖及它的全空間協方差矩陣，我們也使用旋扭位錯模型（Savage和Burford，1973），以及平面軌道參數和線性大氣校正以覆蓋前兩步的殘差，由此求出最終滑動速率。圖2顯示除去最終軌道校正及大氣校正的LOS速率圖和剖面BB′。GPS數據也被投影到當地InSAR LOS方向，且多數與InSAR觀察值一致，顯示出跨越斷層的20～30km寬地帶的相位變化。東部應變帶比西部應變帶寬（圖S2），揭示那里存在更深的鎖定深度。

圖2 （a）除去軌道和大氣延遲誤差后的19幅干涉圖疊加得出的LOS速率圖。彩色圓圈顯示投射到當地LOS方向的GPS速度。GPS值還按所有GPS速度的平均值進行了轉換，以匹配In-SAR率圖。正值顯示離開衛星的運動。4 km的鎖定深度被用于產生率圖的迭代過程。（b）沿縱剖面BB′（圖2a）的LOS InSAR（綠色），GPS（紅色）和模型（藍色）速度，以及地形（灰色）。使用沿剖面1 km寬度范圍內所有像素的速率和它們的協方差矩陣來計算每一InSAR數據點的LOS速度。橫線表示點測量的2σ誤差。在產生剖面前，模型結果和GPS數據都投射到當地InSAR LOS中

2 滑動速率反演

為了探究滑動速率和鎖定深度的不確定性以及它們間的協方差，我們使用了大氣延遲誤差的蒙特-卡洛模擬，這些大氣延遲誤差是使用從真實數據中獲得的統計量進行人工合成的，其中包括空間協方差。我們使用一種旋扭位錯模型以GPS和InSAR數據來估計滑動速率及鎖定深度。我們發現，據蒙特-卡洛分析得出的估計值并不依賴構建初始滑動速率圖中所使用的鎖定深度。參數不確定性是非正態分布的（圖3c和圖3d），所以我們使用置信限來描述它們。圖3a顯示，僅有14個GPS臺站（除去H042）的水平速度不足以確定鎖定深度，鎖定深度的范圍是0到50km（我們的上限）。但是對于同一鎖定深度，GPS數據得出的滑動速率比In-SAR數據得出的滑動速率略小。在90%置信水平，InSAR數據得出的估計值是10～16mm／a，鎖定深度是4～10km。此差異可能因為接近斷層的GPS臺站稀少，或者因為InSAR只測量了位錯場的單一分量。我們將通過直接使用上升和下降InSAR數據來確定水平和垂直運動，以此驗證這一點，但是當前能獲得的都是不充分的上升階段圖像。GPS和InSAR數據的聯合反演顯示出鎖定深度和滑動速率的更佳估算。在90%置信水平，滑動速率估計值是9～12mm／a，鎖定深度估計值是3～6km，最佳擬合值是11mm／a和4km。像別處發現的那樣，在滑動速率和鎖定深度間存在強的相互折衷，但對于聯合反演，這種相互折衷顯著減小。

圖3 使用蒙特-卡洛方法，據1 000個數據集合得到的地震間形變模型的斷層參數。（a）使用GPS（綠色），InSAR（藍色）和聯合數據（紅色）得出旋扭位錯模型，圓圈代表此模型的最適滑動速率和鎖定深度。（b）用于聯合反演的滑動速率和鎖定深度的頻度等值線。通過數出規則網格（1 km×1 mm）上解的個數計算頻度。這些經平滑后用彩圖顯示。紅色等值線揭示頻度為2%，這近似包括所有解中的90%。（c和d）據蒙特-卡洛模擬得出的滑動速率和鎖定深度的頻度。東北斷層偏移分別取0和4 km，兩種情況下分別據位錯模型得出藍色和灰色柱狀圖。（e和f）取鎖定深度為4 km，不對稱位錯模型，跨斷層剛度對比和斷層偏移的頻度

使用地塊狀模型，兩個最近的研究揭示，在鮮水河斷層上存在大延伸率給出的值是～8mm／a，Meade（2007）給出的值是15mm／a），但是對于此斷層，兩個模型都有大殘差。我們使用聯合GPS和InSAR的數據，使用掩埋拉伸位錯來估算延伸率以及走滑速率及鎖定深度。我們的結果給出的延伸率是-0.5±0.6mm／a，說明不存在顯著正斷層運動（圖S3），這與單獨用GPS數據所做的研究是一致的。我們假設在隨后的分析中不存在延伸。

3 討論

最近的研究報道了根據對Altyn Tagh和圣安德烈斷層所做的InSAR測量得到的不對稱地震間形變。他們引用了剪切模量的跨斷層對比（剛度對比，K＝μ2／（μ1＋μ2）），和／或表面斷層痕跡與深部剪切帶或位錯間的水平（斷層偏移，Δ）。我們把K和Δ納入2D旋扭位錯模型以描述不對稱表面速度，并使用蒙特-卡洛方法（同上）以發現最適參數。這兩個參數間存在強相互折衷。如果據繪圖跡（圖3e）固定斷層位置，那就可以得到最佳因子K＝0.6，說明西南側主巖硬度（μ2）大約是東北側主巖硬度（μ1）的1.5倍。另一種做法是，通過向東北移動深斷層～1km（圖3f），觀察值可以同樣很好地擬合。這意味著，如果假定地圖上已定位的斷層跡線正確的話，那么該斷層面呈北～75°傾斜。我們還發現斷層向北偏移給出的鎖定深度和滑動速率更大。如果斷層偏移為4km，對應的鎖定深度和滑動速率分別為8km和12mm／a（圖3c和3d）。只有使用未來地震中的同震位錯或斷層的微震活動性研究，才可能鑒別這些模型。

據地震或測地學數據不可得出鮮水河斷層鎖定深度的獨立估計值，因為1981年以后沒有發生過大地震，而此前的研究經常通過固定深度來分析地震數據。Jackson等（2008）的更新地震目錄表明，根據對于西藏的走滑地震，由體波建模得到的矩心深度為6～12km。1997年Manyi地震和2001年可可西里地震的測地學建模揭示，鎖定深度大約為10km?，F在幾乎沒有西藏地震間形變的鎖定深度的可靠估計值。此研究的聯合反演提出了比地震觀察值淺的鎖定深度。這可能反映了地震間時段和同震時段間的行為差異，或者反映了圍繞鮮水河斷層的當地地質情況。

我們的結果與全新世滑動速率的下限是一致的。公元1700年以后，在45km長的道孚段發生過3次大地震（1792 M64，1904 M7，和1981 M6.9），并有兩次地震發生在90km長的爐霍段（1816 M7.5和1973 M7.6）（圖1）?，F已提出，這些段上的地震復發間隔為～75和150年。假設地表位移與破裂深度之間遵從標準的地震的標度關系，那發生在1981年和1973年的地震的滑動就分別為～1m和～2m。我們得出的滑動速率為9～12mm／a，由此推出在道孚和爐霍片段上的地震復發間隔應該為83～110年和166～220年，這與歷史地震數據是一致的。對于1981年道孚地震，經驗滑動值為1m，正符合地震學結果。對于1973年爐霍地震，Zhou等得到固定深度為15km的平均滑動為4m，但是2m的經驗值與我們的滑動速率更加一致。在我們的斷層線的東南端，62km長的乾寧段上發生過兩次地震，一次發生在1793年（M6.7），另一次發生在1893年（M7.3）。假設此段上的滑動速率也是9～12mm／a，表明地震的復發間隔為117～155年。所以此段上的發震概率非常高，且因為2008年四川地震而增加。

致謝

皇家學會通過皇家學會大學研究獎金對TJW的支持，以及國際收入獎金對HW的支持支持了此工作。HW也受到廣東自然科學獎金（080094）支持。在Catl-3392和AOE-621項目下提供的ERS和歐洲環境衛星SAR數據版權屬于ESA。使用GMT軟件作出所有的圖。我們感謝Barry Parsons，Alex Copley和Carolina Pagli，因為他們提供了有意義的討論，也感謝Fabio Florindo，Roland Bürgmann以及兩位未俱名評審者，因為他們的評論改進了原稿。

（略）

P315.2；

A； doi：10.3969／j.issn.0235-4975.2013.03.006

：Geophysical Research Letters，Vol.36，Lo3302，

10.102912008GL036560，2009

2010-05-17。

原題：Interseismic slip rate of the northwatern Xianshuihe fault from InSAR data

（周平博 譯）

（譯者電子信箱，周平博：cmendal＠163.com）